关于我们 | English | 网站地图

海浪发电:国内外技术发展现状与展望

2017-02-28 15:03:00 5e

浩瀚的海洋蕴藏着巨大的能量。利用这个天然发动机,把推动成千上万吨海水汹涌起伏的动能转换成昼夜不停、源源不断的绿色电力不仅是科技工作者攻关的目标,也是全球各沿海国家积极推动开发的新能源之一。据统计,人类能够把海洋波浪0.1%的动能转换成电力的话,相当于全球能源消费总量的5倍。很多以色列、丹麦、美国、澳大利亚,包括中国都探索,但是商业化的项目少之又少。

\

人类在开发利用海浪能源领域取得了哪些进展又面临着什么样的挑战?中国在这方面探索的进展如何?在国际范围内,有哪些现有的好的技术可以大规模开发这一取之不尽用之不竭的能源资源?

10月22下午,北京国家能源专家俱乐部和亚洲开发银行联合举办海浪发电技术国际研讨会,对以上的问题进行了探讨。这次会议由北京国际能源专家俱乐部总裁陈新华和亚洲开发银行能源技术总顾问翟永平共同主持。

意大利SintEnergy公司首席技术管Giacomo Lo Zupone先生,中科院广州能源所海洋能研究中心主任游亚戈先生,瑞典皇家理工学院教授严晋跃先生参加了会议,并分别就欧洲、中国以及全球范围内海洋能发电技术前景做了详尽介绍。

翟永平博士首先代表亚洲开发银行致辞。

翟博士指出,确定海洋能在一个国家的能源组合和技术组合中的地位,才是顺利推进技术发展的途径。亚洲发展中国家的能源问题有两难,一是能源可及性,还有5-6亿人口没有获得电力。二是环境问题,发展中国家未富有先污染,面临着低碳转型的难题。面对两难,有两大法宝两个组合。第一,能源组合,就是要包括煤炭、石油、天然气、核能、可再生能源。可再生能源里包括水、风、光、生物、地热,海洋能往往被有意无意的忽略了。能源组合,就是一种能源形式都不能少,每一种可再生能源形式也不能少,才能解决发展中国家能源两难问题。第二,技术解决方案组合。每一项能源形式都有很多不同的技术解决方案,不同的地理环境、不同条件下有不同的技术应用。在海洋能里就包括潮汐能、潮流能、海流能、波浪能、温差能、盐差能等不同的解决方案。技术组合就是针对各个国家的需要,找到一个合适的解决方案。只要在能源组合中确定海洋能的地位、在技术组合中找到发展中国家适合的技术解决方案,就能推进海洋能的发展。

接着,意大利SintEnergy公司首席技术官 Giacomo Lo Zupone先生介绍了欧洲各国海浪发电技术研究与实验现状。

Lo Zupone先生介绍,国际上波浪能装置的分类有衰减器(Attenuator)、点式波能吸收器(point absorber)、振荡波涌转换器(Oscillating Wave Surge Converter, OWSC)、振荡水柱(Oscillating WaterColumn, OWC)等等。波浪能在不同国家已经有一些应用,比如在中国江夏4兆瓦的项目、法国兰斯240兆瓦、韩国西化湖254兆瓦、韩国仁川在建的1.32吉瓦的项目等。Lo Zupone先生还介绍了欧盟的2020年海洋能的战略和愿景。欧盟的2020年战略在2013年制定,计划2014年到2020年之间部署800亿欧元支持海洋能的研发和创新。目标是要帮助欧盟在2020年达到和1990年水平相比,温室气体减排40%。迄今为止,海洋方面的新能源发展计划已经比比皆是,主要在欧洲的西北部靠近海洋的地区,有一些创新技术的实验中心已经在英国、爱尔兰、法国和荷兰等国家落地。

中科院广州能源所海洋能研究中心主任游亚戈继而介绍了中国在海浪发电领域所取得的进展。

游主任先介绍了波浪的生成。波浪是由风形成,风吹上去首先出现小的毛细浪,在风持续吹拂下由小到大,最后变成大浪。波浪能的能量积蓄,取决于风速和海的面积,以及风向的稳定性。游主任继而对比了欧美发达国家和中国的波浪能的自然形成环境。在欧美,波浪能功率很大。主要原因是在大洋东侧有大气环流,由西风带带来的能量是所有波浪能里最大的。其次的是在维度30度内热带里的风。而中国在西风带的风头,前面无海,西风吹过的时候,跨过中国的陆地,所以在西风带里没有波浪能形成。中国在信风带有一点浪,信风是比较薄弱的一点风。剩下就是非大气环流,即所谓的季风。而季风是由于温度场导致的——比如夏季的时候陆地上热量很大,陆地上空气首先变得稀薄起来,气体就会上升,海风会补充进来,所以就会出现夏季风,也就是西南季风。冬季的时候反过来是东北季风。由此可见中国的风向是在不断发生变化的。

中国和欧洲的风力特点不同,因此我国的装置和欧洲装置肯定会不同。游主任介绍,在欧洲波浪由于长期的吹拂,已经变成了规则波,也即永浪,波高大概是3米到8米。能量太大而且波浪频率是低频所以在欧洲波浪能装置不需要太多维护。在中国正好相反:波浪不稳定,而且是高频波。因此我国装置首选高效率,然后选择是可维护的。欧洲的振荡浮子装置,主要有Power Buoy动力浮子(美国)、Oyster牡蛎(英国)、Pelamis海蛇(英国)、Wave Star波星(丹麦),以及我国的摆式、鸭式和鹰式装置。游主任介绍说,这些已有的装置能量转换率很高,可以达到80%。但除了能量转换,另外的重要指标是转换前的能量捕获。我们国家的振荡浮子装置基本上和欧洲一致但我们额外还采用一种叫自制液压控制的技术,为了捕获能量而进行了适当的控制,使得总转换率提高。

游主任介绍了我们国家振浪浮子里重要的装置——鸭式装置。这个装置最初模仿英国的设计,但略有改换。中国2012年总共做了三台十千瓦的装置,经过四次实验,三次改造,两次下沉,两次打捞,遇到海底电缆断裂,发电系统进水等一系列的失败经历,积累了大量的经验。在经过三个月的实验后,发现鸭式装置有缺点。欧洲海浪理论周期是8-12秒,中国是3-5秒,因此装置在中国很难响应,最主要的问题是装置的转动惯量过大影响了性能。因此就将装置改造鹰式,减少转动惯量。最后转换效率高了很多,电能的总转换效率可以达到82%。冬季小浪时发每天可以发126度电,夏季风每天可以发244度电。在台风的时候,有一天单日发了1847度电。很长一段时间内平均波浪到电的总效率是24%。装置也存在一定的问题,主要是发电量变化非常剧烈。主要原因,一是风向变化导致波浪不能抵达装置,二大浪时比如台风等不正常的浪容易造成发电量的大幅变化。

最后游主任提出了对我国波浪能的展望。他认为,我们国家波浪能分布特别广,越是远离陆地的海域,波浪能越丰富。波浪能技术可以在远海开发起很好的作用。另外,中国与菲律宾、南海距大陆直线距离超过1000公里,柴油发电价格昂贵,波浪能发电具有较高的使用价值。波浪能的应用在南海开发中将具有很强的竞争力。

瑞典皇家理工学院教授、未来能源研究所所长严晋跃先生介绍了全球海洋能源开发情况和所面临的挑战。

严所长首先介绍了海洋能作为可再生能源的一种在全球范围内角色。严所长介绍说,根据研报统计,全球海洋能根据现有技术开发的经费投入欧洲大概占了50%。海洋能在国际能源署(IEA)2050年展望报告中具体提到的一类新能源技术。国际能源署估计2050年全球的海洋能装机量可达350 GW左右,代表了欧洲对海洋能较为乐观的态度。从海洋能潜力来看,全球每年理论上可以有29500太瓦时(TWh)的波浪能发电。就技术而言,严所长表示,全球不同的区域技术不一样,比如欧洲主要是内陆海洋能多一些,亚洲潮汐能多一些,北美也是潮汐能。不同的国家的海洋能开发规模还是比较小,最大的几百兆瓦,也有上千兆瓦的项目。从实施来说,最主要是技术障碍和经济成本。欧洲、亚洲和北美在实验和示范角度做了很多工作,欧洲地区的海洋能开发经验比较多,可以作为未来我国技术开发重点借鉴的经验来源。

严所长接着重点介绍了海洋能的成本。成本要分成几个不同的技术阶段来衡量,技术的开发是第一阶段,大规模的海洋能应用是第二阶段。严所长还展示了关于从风能、光伏等借鉴后做出来的学习曲线,假如说海洋能按照类似的学习曲线,现在这个阶段成本还是比较高的。用标准的成本计算方法——平准化能源成本(Levelized Cost of Energy Calculation,LCOE)来看,目前波浪发电在每千瓦时平均超过70美分,未来希望在2020、2030左右降低到潮汐能16美分每千瓦时,海浪能也是大概在10-15美分每千瓦时左右。如果我们希望在2020年到2030年之间能达到这个成本级别,从学习曲线上就要投入,达到一定的开发规模。从现在来看很难预料,主要因为竞争技术光伏、太阳能和风能的发展速度非常快。在成本的构成中,运营成本(Opex)占比较高,占到了39-40%。另外就是设备、建设和停锚的费用也比较高。针对不同的技术,国际能源署展示了成本低线、高线,以及不同技术海浪能、潮汐能和海洋热能转换等大概在什么价格范围里面。国际能源署预计在2020-2030年间在第一期可商业化项目收官的时候海浪能大概下降到2700到9100美金每千瓦,潮汐能3300到5600美金每千瓦。如果要对比项目最初期也就是现在处于的项目周期,成本是4000到18000美金每千瓦左右,可见:一、成本已经下降非常多;二、现在成本还是比较高。严所长认为,最主要的问题还是建立在技术上如何增加稳定性和可靠性,之后再考虑如何把成本降下来。

最后,严所长讨论了产业政策。比如,从技术上海洋能需要利用的工程技术、材料和基础设施可能和风能、离岸平台、海上石油开采有一定相似。而从政策上,需要的支持政策和其它可再生能源也有类似性。海洋能从技术和成本两方面离成熟技术的差距较大。海洋能技术和风能、光伏不一样,选哪种技术与当地资源禀赋和后期发展有非常直接的关系。

在专家演讲之后,与会人员围绕一些关心的问题和专家们进行了热烈讨论,形成了一些基本认识:

一、中国的海洋能潜力较大,但开发还要等待技术成熟。中国海洋能潜力比较大的是在黄海、东海、南海几个区域。浙江三门地区潮差比较大。舟山一代有两种海洋能,一种是潮流,一种是潮差,就是我们平常讲的潮汐。潮流和潮差都在做实验装置,潮差已经做到了3.9兆瓦,如果按小时计,是接近3000小时。在舟山一些水道里,目前比较成熟是60千瓦,实际上技术成熟到一定程度可以发展到100千瓦到500千瓦的装机。因此我国的海洋能潜力大,但是需要等待技术成熟。

二、浪屿发电和海上风电具有共通性,可以考虑创新技术结合。我们国家具有台风多的特点,有技术考虑借助台风的力量把海浪推到一定的高度。但我国的技术装置还不能很强的承受台风,所以必须做强风冲击改造。其次,大浪和小浪转换成电的转换率大体相同,如果波浪能够走向成熟,波浪转换为电的转换效率很稳定,就不需要利用大浪整合发电。和海上风能结合的海浪能项目,设计的成本还要增加,需要进行成本的核算。比如在一些岛屿,海浪能是最适合的能量,如果能够把项目的附加值增加,应用是有前景的。

三、不同海浪能装置的设计不同难以横向比较。各种装置的性能不同,难说优劣,因为各种装置都要经过实践的检验。只能说在某些区域可能有些装置较为适应当地的波浪频率,一些指标比如波浪频率高于其它装置。

四、海浪能比其它的可再生能源发电成本更高,主要原因各有不同,投资依然有前景。现在来看,这几种海洋能的开发成本还是在比较贵的阶段。在经过一段时间的技术优化后,有可能会便宜下来。但是便宜到能和太阳能、风能达到可比较的程度在近期来讲可能性不是很大。发电成本和可再生能源技术的发展阶段有关。现在我们所做的装置是为了能够做出样品,发现它的问题在哪,能够及时更换加快研究步伐,所以很多装置可能并没有太多实际用处,而是为了技术的更新淘汰。过了这个阶段技术进入到稳定推广阶段,成本自然就会下降。另外,各个装置的设计不同,所处的海洋环境也不一样,在发电运行成本中各部分的成本占比不同,很难在行业范围内形成规模效应。比如鹰式装置最主要的钱花在锚泊系和辅助的结构上,主要目的是为了抗台风,辅助性的设施造成成本不可控制。

从投资角度依旧是有前景的。严所长表示,除了单纯评价成本收益,投资人应该要看到海浪能的独特性,比如在岛屿等一些特殊的场合,海洋能是比较好的选择。在那种情况下其它能源选择也是很贵,因此海浪能是有效益和附加值可以创造的。

五、海浪发电对环境的影响。一是噪声的影响。欧洲在研究噪声对环境的影响,噪声每一种装置不一样,有一些装置噪声比较大,有一些装置噪声比较轻微,所以因装置而异。第二个影响是被海水腐蚀的油漆会导致一些环境问题。为解决这种问题,在欧洲等注重环保区域严禁用有毒的油漆。

六、阻碍海浪发电最大的难题和瓶颈会随不同发展阶段演进。一是可靠性。二是发电转换量。三是关于装置运行中耗费多少人力、物力维持。这些问题随着技术的发展,有一些会变成主要的问题,有一些会变成次要的问题。




责任编辑: 李颖

标签: 海浪发电 海洋能 绿色电力 新能源 海浪能源

更多

行业报告 ?